泡沬Ni负载FeCo2O4纳米阵列电极的制备及其超级电容性能
超级电容器的制备与电化学性能的研究
实验报告超级电容器的制备与性能研究一、实验目的1、了解超级电容器的原理及应用2、掌握超级电容器的制备方法3、学习应用各种电化学方法研究超级电容器的电化学行为。
二、实验原理1、循环伏安测试对于双电层电容器，可以用平板电容器模型进行理想等效处理，根据平板电容容量计算公式：c=εS4πd（1）由上式可知，超级电容器的电容量与双电层的有效面积（S/m2）成正比，与双电层的厚度（d/m）成反比，对于活性炭电极，双电层有效面积与碳电极的比表面积及电极上的载碳量有关，双电层的厚度是受溶液中的离子的影响，因此，电极制备好以后，电解液确定，容量便基本确定了。
利用公式dQ=i d t和C=Q∕φ可得到：i=dQd t =C dφd t（2）因而，如果在电极上加上一个线性变化的电位信号时，得到的电流响应信号将会是一个不变的量，如果给定的电信号是一个三角波信号，电流信号将会是一个正电流信号或者一个负电流信号。
响应信号如图1（b）所示，响应信号在i-φ图中呈一个矩形。
由（2）式可知。
在扫描速度一定的情况下。
电极上通过的电流（i）是和电极容量（C）成正比关系的，也就是说对于一个给定的电极，通过对这个电极在一定扫描速率下进行循环伏安测试，研究电流变化就可以计算出电极的电容，继而进一步求出比电容：Cm=Cm =im dφd t=im V（3）2、恒电流充放电测试对于超级电容器，根据式（2）可知，采用恒电流进行充放电时，如果电容量C为恒电位，那么dφd t将会是一个常数，即电位随时间是线性变化的关系，也就是说理想电容器的恒流充放电曲线是一条直线。
可以利用恒流冲放电曲线来计算电极活性物质的比容量：Cm=i tdmΔV（4）式中，t d是放电时间，ΔV是放电电压降的平均值。
式中的ΔV是可以利用放电曲线进行积分计算而得出：ΔV=1(t1−t2)V d t21(5)实际在计算比容量时，常采用t1和t2时电压的差值作为平均电压降，对于单电极比容量，式（4）中的m为单电极活性物质的质量，若计算的是双电极比容量，m则为两个电极上活性物质的质量总和。
以泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列为阴极催化剂的Al-H2O2半燃料电池
以泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列为阴极催化剂的Al-H2O2半燃料电池田永梅;雷婷;王贵领;曹殿学【摘要】研究了以泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列为阴极催化剂的Al-H2O2半燃料电池的性能.以无模板生长法制备了泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列阴极材料,SEM测定结果表明,NiCo2O4纳米线几乎垂直于泡沫镍载体表面生长.以电压和功率密度-电流密度曲线研究了H2O2浓度、电解液流速和温度对电池性能的影响,结果显示,以铝片为阳极,0.6 mol/L H2O2为氧化剂的电池的开路电压约为1.40V;在室温和57℃下,电流密度为98和172 mA/cm2时,最大功率密度分别达到79和120 mW/cm2.在5000 s的测试时间内,0.70 V的恒电流密度和75 mA/cm2的恒电压值几乎为一常数,这表明以泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列为催化剂电还原H2O2具有很好的活性、稳定性和传质性能.%A A1-H2O2 semi-fuel cell using Ni foam supported NiCo2O4 nanowire arrays as cathode was reported. Ni foam supported-NiCo2O4 nanowire arrays were prepared by a template-free growth method, and demonstrated that NiCo2O4 nanowires grow almost vertically from the surface of foamed Ni substrate by scanning electron microscopy (SEM). The effects of concentrations of H2O2, flow rate of electrolyte as well as operation temperature on the cell performance were investigated. The cell exhibited an open circuit voltage of about 1. 40 V; peak power densities of 79 and 120 mW/cm2 at current ensities of 98 and 172 mA/cm2 and a cell voltage of 0. 80 V and 0. 70 V operating at room temperature and 320 K, respectively, using aluminium sheet as anode fuel and 0. 6 mol/L H2O2 as oxidant. The current density at0. 7 V and voltage 75 mA/cm2 remained nearly constant within a5000 stest period, the Ni foam supported NiCo2O4 nanowire arrays electrode exhibits superior activity, stability, and mass transport property for H2O2 electroreduction.【期刊名称】《高等学校化学学报》【年(卷),期】2011(032)010【总页数】5页(P2382-2386)【关键词】泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列;Al-H2O2半燃料电池;阴极催化剂【作者】田永梅;雷婷;王贵领;曹殿学【作者单位】哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院,哈尔滨150001;黑龙江大学化学化工与材料学院,哈尔滨150080;哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】O646;TM911金属半燃料电池是指兼具燃料电池和电池特征的一种能量转化装置［1～3］，其阳极具有电池的特征，即阳极金属Al等燃料在电池放电过程中被消耗;阴极具有燃料电池的特征，即氧化剂从外部连续地输送到阴极，阴极本身不消耗.与电池相比，金属半燃料电池的能量密度较大，使用寿命和干存时间较长，机械充电时间较短;与燃料电池相比，金属半燃料电池的结构简单，放电电压平稳，成本低［4～6］.因而金属半燃料电池的应用范围非常广泛［7～9］.近年来，金属-H2O2半燃料电池的研究取得了长足进步，与金属-O2半燃料电池和其它传统的陆用燃料电池依赖空气提供O2而工作的方式不同，这类半燃料电池由携带的液态H2O2充当氧化剂，因而可以工作在水下及太空等无氧环境，是极佳的水下动力电源［10～12］.水下自主潜器(Unmanned Underwater Vehicles，UUV)可用于海洋生态及海洋环境研究、水下资源开发、海底地貌绘图、水下石油管道与电缆的检测、海洋地震监测和水下通讯等方面，而金属-H2O2半燃料电池则是一种重要的UUV动力电源，美国水下武器研究中心和挪威国防研究部［10～12］先后研制出了Al-H2O2半燃料电池并成功用于UUV，其综合性能优于常用的锂离子电池和其它电池.由于Al等金属阳极的电氧化性能良好［13～15］，H2O2阴极的电还原性能是提高金属-H2O2半燃料电池性能的关键.本研究组［16，17］发现，尖晶石结构的Co3O4和NiCo2O4纳米颗粒对H2O2的电还原显现了较高的催化活性和稳定性.此类电极的制备采用传统的方法进行，即先制备H2O2电还原催化剂，然后将催化剂与活性炭和黏结剂混合，再压制到导电载体泡沫镍上.这样做不但活性催化物质的利用率低，而且在大电流放电时很容易出现液相传质为电极反应的控制步骤.本研究组［18～20］以无模板生长法制备了泡沫镍载Co3O4和NiCo2O4纳米线阵列催化剂，对H2O2的电还原显现了较高的催化活性、稳定性和传质性能.在Co3O4晶格中引入Ni取代Co，可提高Co3O4的导电性并增加其表面粗糙度，本文以泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列为阴极催化剂，研究了不同运行条件下Al-H2O2半燃料电池的性能.1.1 试剂与仪器H2O2，Co(NO3)2，Ni(NO3)2，NH4NO3和NaOH等试剂均为分析纯，泡沫镍规格320 g/m2，所有的溶液都用三次蒸馏水配置.用JSM-6480A型扫描电子显微镜(SEM)(日本Jeol公司)，在20 kV下观察催化剂的微观结构.用TX88745型电池测试系统(美国Arbin公司)测试Al-H2O2半燃料电池的性能.1.2 泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列的制备泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列参照文献［18～20］方法制备.将10 mmolCo(NO3)2，5 mmol Ni(NO3)2和5 mmol NH4NO3充分溶解在35 mL去离子水中，待溶解完全后缓慢加入22.5 mL质量分数为30%的氨水溶液，强烈搅拌10 min后，将该混合溶液转移到有盖的培养皿中.将泡沫镍基体放入上述混合溶液中，在90℃下加热12 h，再将泡沫镍基体在250℃下焙烧2 h，即得泡沫镍载NiCo2O4纳米线电极.1.3 Al-H2O2半燃料电池性能测试测试电池由2块不锈钢材料制成，外部尺寸为80 mm×80 mm×10 mm，铝阳极采用纯铝(纯度99.99%)，阴极为直接生长法制备的泡沫镍载 NiCo2O4纳米线阵列，2个电极的实际有效面积为20 mm×20 mm.铝阳极和电催化阴极分别放置在电池内，阴极和阳极之间用Nafion膜隔开.电解质溶液用蠕动泵从测试电池两侧的下端管路输入，流经铝阳极和阴极表面之间的空隙，然后从测试电池上端管路流出.2.1 泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列的制备与表征图1为250℃下焙烧2 h制得的泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列的XRD谱图.可以看到，所制备样品(图1谱线a)的各衍射峰位置与尖晶石结构的NiCo2O4标准图谱(JCPDS-20-0871)(图1谱线b)一致，表明所制备物质为纯相NiCo2O4.图2为泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列的SEM照片.由图2(A)可见，泡沫镍表面被NiCo2O4纳米线阵列紧密覆盖.由于多孔的泡沫镍表面非平面结构，NiCo2O4纳米线的生长有交错生长现象，NiCo2O4纳米线仍几乎垂直于泡沫镍载体表面生长，形成了三维的空间网络结构.NiCo2O4纳米线直径约为250 nm，长度约为15μm，且直径和长度均匀，表面光滑.2.2 H2O2浓度对电池性能的影响室温下以3 mol/L KOH为阳极电解液，3 mol/L KOH与0.2，0.4，0.6和0.8 mol/L H2O2的混合溶液为阴极电解液，流速为80 mL/min时H2O2浓度对Al-H2O2半燃料电池影响的曲线如图3所示.从图3可知，电池的开路电压约为1.4 V，随着放电电流密度的增大，电池的极化作用增加，电池电压下降;而功率密度是先增大后减小，出现一个极大值.当H2O2浓度小于0.6 mol/L时，随着H2O2浓度的增加，电池放电性能不断提高，H2O2浓度为0.6 mol/L，在电流密度为98 mA/cm2和电池电压为0.80 V时，功率密度达到79 mW/cm2，电池放电性能达到最大值.当H2O2浓度继续增加到0.8 mol/L时，电池性能反而下降.这是因为高浓度时H2O2的分解严重，产生的氧气在阴极中大量积累，使得产生的气泡吸附在电极的表面上，一方面减少了催化剂的有效面积，使电化学极化增大;另一方面因阻碍了H2O2的传质而增加了浓差极化，致使电池性能下降.所以阴极电解液中H2O2的最适浓度为0.6 mol/L.2.3 电解液流速对电池性能的影响图4为室温下以3 mol/L KOH为阳极电解液，3 mol/L KOH和0.6 mol/L H2O2的混合溶液为阴极电解液时电解液流速对Al-H2O2半燃料电池影响的曲线.从图4可知，低流速时，随着流速的增加，在相同电流密度下电池的功率密度也增大，当流速为80 mL/min时电池的功率密度达到最大值.这是因为适当地提高流速，有助于H2O2电解液的传质，减小了浓差极化，提高了电池性能.在较高流速时，电池的功率密度反而下降，这可能是由于流速过高，电解液严重冲击阴极NiCo2O4纳米线阵列催化剂的原因.图2(B)为以100 mL/min流速运行后NiCo2O4纳米线的SEM图，可以明显地看到纳米线阵列出现了脱落和团聚，从而降低了电池放电性能，因此电解液的流速选定为80 mL/min.2.4 温度对电池性能的影响图5是以3 mol/L KOH为阳极电解液，3 mol/L KOH和0.6 mol/L H2O2的混合溶液为阴极电解液，电解液流速为80 mL/min时温度对Al-H2O2半燃料电池的影响曲线，由图5可知，随着运行温度的升高，在相同电流密度下电池的功率密度也随之增大，电池的放电性能明显提高.这是由于温度的升高降低了反应的活化能，减小了电化学极化，增大了电极反应速率;此外，温度的升高还能加大质子交换膜的电导率，减小欧姆极化，进一步提高了电池的放电性能［20］.当温度升到57℃，电流密度为172 mA/cm2和电池电压为0.7 V时，电池的最大功率密度达到120 mW/cm2.如果继续升高温度，氧化剂H2O2的自身分解速率增加，电极表面被H2O2分解产生的O2气泡包裹，电池的内阻增大，增加了浓差极化，电池的工作性能不稳定，更重要的是由于H2O2的分解，电解液中H2O2的浓度迅速下降，从而使电池的性能下降.因此，电池的工作温度选为57℃.这与50℃时以泡沫镍载Pd-Ag和泡沫镍载Ag为阴极催化剂组装的Mg-H2O2半燃料电池的最大功率密度140和110 mW/cm2相当，表明泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列催化剂有望取代贵金属催化剂［8］.从图3、图4和图5还可以发现，所有的j-V曲线都近乎呈线性下降，特别是在大电流放电时，仍然没有大幅度电压降，j-P曲线也没有出现锐减的现象，这主要是由于泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列催化剂比表面大(参见图2)，浓差极化小，因而j-V曲线都近乎为线性下降.而压载在泡沫镍上的Co3O4颗粒、NiCo2O4颗粒和La0.4Sr0.6MnO3催化剂因为比表面小，浓差极化大，在大电流放电时电池电压和功率密度均急速下降［16，17，21］.2.5 电池的恒流放电和恒压放电性能室温下以100 mL 3 mol/L KOH为阳极电解液，100 mL 3 mol/L KOH和0.6 mol/L H2O2的混合溶液为阴极电解液，电解液流速为80 mL/min时，Al-H2O2半燃料电池的恒电流(75 mA/cm2)和恒电压(0.7 V)放电曲线分别见图6和图7.可见，开始放电时，电压-时间曲线从开路电压1.40 V快速下降至0.84 V而达到极小值;电流-时间曲线的电流密度则快速上升至82 mA/cm2而达到极大值.运行5000 s后电压-时间曲线和电流-时间曲线基本平稳，没有下降趋势，但电压-时间曲线和电流-时间曲线也出现了一些微小的波动.这可能是由于电池运行过程中，阳极铝析氢反应产生的H2气泡，铝的溶解脱落以及阴极H2O2分解产生的O2气泡所致.电压-时间曲线和电流-时间曲线进一步证明了具有较大比表面的泡沫镍载Co3O4纳米线阵列催化剂，对H2O2的电还原显现了较高的催化活性、稳定性和传质性能.［1］Yang W.Q.，Yang S.H.，Sun W.，Sun G.，Xin Q..J.Power Sources［J］，2006，160:1420—1424［2］Dow E.G.，Bessette 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基于三聚氰胺泡沫可压缩电极的制备及其电容性能研究
基于三聚氰胺泡沫可压缩电极的制备及其电容性能研究超级电容器作为可形变电子产品不可缺少的组成部分,往往要求其具有柔性、可折叠、可伸缩和可压缩的形变能力,开发具有可压缩性的超级电容器有重要的意义。
可压缩超电容器目前最大的研究难点是如何在力学形变状态下保持稳定的电化学性能。
本研究以三聚氰胺海绵作为可压缩电极的支撑体可以为电极提供足够的机械性能,同时在海绵网络表面负载活性物质满足高容量的需求,制备得到了兼具高可压缩性和高电化学性能的可压缩超级电容器电极材料。
本论文的主要研究内容和成果如下:一、选用电导率高的碳纳米管对三聚氰胺海绵基底先进行导电化处理,以确保电极良好的导电性。
利用碳纳米管与高锰酸钾之间的化学反应在导电海绵基底上负载高赝电容物质Mn O<sub>2</sub>进一步提升电极的容量,通过X射线衍射和透射电子显微镜表征证明了Mn O<sub>2</sub>的存在,在三电极体系下以Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>作为电解液进行电化学测试获得MnO<sub>2</sub>@CNTs海绵电极质量比电容可达600 F g<sup>-1</sup>,同时也表现出良好的倍率和循环稳定性。
最重要的是,三聚氰胺海绵支撑体在负载碳纳米管和Mn O<sub>2</sub>后仍然具有较高的力学性能,并且在压缩状态下能保持稳定的电化学性能。
二、利用原位化学氧化聚合法在三聚氰胺海绵表面直接负载聚吡咯,不仅能为可压缩电极提供良好的导电性,同时也具有较高的比电容。
通过对单体添加量和聚合时间的优化,获得聚吡咯完全包覆的三聚氰胺海绵电极。
对比聚吡咯海绵在不同电解液体系中的电化学性能发现在Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>电解液中表现出的电化学性能最稳定,质量比电容可达257 F g<sup>-1</sup>。
碳基超级电容器的制备及其性能研究
碳基超级电容器的制备及其性能研究超级电容器是一种新型的电能储存设备，具有能量密度高、功率密度大、充放电快等特点。
其中，碳基超级电容器作为一种主流的超级电容器，具备安全性高、环境友好、稳定性强等优势。
制备碳基超级电容器的主要步骤包括选材、材料表面处理、电极制备、装配等。
其中，选材是制备碳基超级电容器中最重要的一步。
常见的电极材料包括活性炭、石墨、石墨烯等。
活性炭因其比表面积大、孔径分布均匀等特征受到广泛应用。
但制备过程中易出现结构疏松等问题，降低其储能效率。
石墨烯则因其单层结构和高导电性能受到重视，但制备工艺复杂，成本较高。
在材料表面处理中，通常采用物理氧化、化学处理等方法，使得材料表面微观结构更加均匀，增强材料的储能效率和稳定性。
电极制备中，通常采用混合（mixing）、涂覆、压制等方法，将电极材料与导电添加剂混合或涂覆于导电收集体上。
根据材料的形态和性质，制备不同形式的电极。
在装配中，电极片与电解质层层叠加、固定成电容器的正、负极板，通常采用双层对称结构或者金属电极氧化形式。
超级电容器的性能主要受材料、结构、电解质和制备工艺等方面的影响。
常见的影响因素包括电极表面形貌、导电添加剂、硫酸盐电解质浓度、纳米孔径等。
同时，超级电容器的性能评价指标主要包括比电容、电压范围、循环寿命、能量密度和功率密度等。
其综合性能需要在各方面指标的优化中获得全面提升。
在应用方面，碳基超级电容器广泛应用于能量储存、智能电网等领域。
其高功率密度和短充电时间使得其成为航天、交通等领域的理想能量储存设备。
同时，超级电容器在智能电网、微电网等领域的应用也逐渐增多，对提高电网的稳定性和可靠性起到了重要作用。
总的来说，碳基超级电容器的制备涉及多个方面的技术，需要在材料、制备工艺等方面进行深入研究，以提高其性能并拓宽应用领域。
泡沫镍上生长纳米片ZnCo2O4负极材料
泡沫镍上生长纳米片ZnCo2O4负极材料赵豆豆;汝强;郭凌云;胡社军【期刊名称】《电池》【年(卷),期】2016(046)002【摘要】采用水热法和烧结法在泡沫镍基底上制备锂离子电池负极材料钴酸锌(ZnCo2O4),用XRD、SEM分析物相结构与形貌,用恒流充放电、循环伏安测试电化学性能.合成的ZnCo2 O4纳米薄片呈横竖交错的叶状.ZnCo2O4/泡沫镍复合电极可缓冲充放电过程中的体积膨胀效应,改善体系的循环性能.以100 mA/g的电流在0.01 ～3.00 V循环,首次放电比容量为1 301.7 mAh/g,首次库仑效率为85.5％,循环50次,可逆比容量仍保持在1 249.5 mAh/g.【总页数】4页(P61-64)【作者】赵豆豆;汝强;郭凌云;胡社军【作者单位】广东省高效绿色能源与环保材料工程技术研究中心,广东广州510006;广东省量子调控工程与材料重点实验室,华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州510006;广东省高效绿色能源与环保材料工程技术研究中心,广东广州510006;广东省量子调控工程与材料重点实验室,华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州510006;广东省高效绿色能源与环保材料工程技术研究中心,广东广州510006;广东省量子调控工程与材料重点实验室,华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州510006;广东省高效绿色能源与环保材料工程技术研究中心,广东广州510006;广东省量子调控工程与材料重点实验室,华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TM912.9【相关文献】1.纳米片层状氢氧化钴/泡沫镍复合材料的超级电容性能研究 [J], 李长振;张超;朱科宇;曹进峰;张森宇;戴玉明2.泡沫镍表面原位生长Ni-MOF电极材料用于电化学储能 [J], 文平;董驰;苏晨;凡明锦;杨得锁3.泡沫镍表面原位生长纳米花锌钴氢氧化物电极材料及电化学性能研究 [J], 张豪;王立艳;李英奇;肖姗姗;毕菲;赵丽4.泡沫镍上原位生长CoMn_(2)O_(4)多级空心纳米球作为超级电容器电极材料的电化学性能研究 [J], 葛宗运;周庆亚;郭艾坪;王振华;黄金萍5.CuGeO_(3)/泡沫镍负极材料的制备及其电化学性能 [J], 彭得群因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
《超级电容器炭基电极材料制备及其电容性能研究》范文
《超级电容器炭基电极材料制备及其电容性能研究》篇一一、引言随着新能源技术、微电子器件的迅猛发展，对高效、快速充电的储能器件需求日益增长。
超级电容器作为一种新型的储能器件，因其高功率密度、快速充放电、长寿命等优点，在电动汽车、混合动力汽车、可再生能源等领域具有广阔的应用前景。
炭基电极材料作为超级电容器的关键组成部分，其性能直接决定了超级电容器的性能。
因此，研究炭基电极材料的制备及其电容性能，对于提高超级电容器的性能具有重要意义。
二、炭基电极材料的制备1. 材料选择与预处理选择合适的原料是制备炭基电极材料的第一步。
本实验选用生物质废弃物作为原料，经过粉碎、清洗、干燥等预处理过程，以提高原料的纯度和均匀性。
2. 炭化过程将预处理后的原料在惰性气氛下进行炭化处理，通过控制炭化温度和时间，得到具有特定结构和性能的炭材料。
3. 活化处理通过物理或化学方法对炭材料进行活化处理，增加其比表面积和孔隙结构，提高电极材料的电化学性能。
三、炭基电极材料的电容性能研究1. 材料的物理性质表征利用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等手段，对制备的炭基电极材料进行物理性质表征，了解其微观结构和形貌。
2. 电化学性能测试通过循环伏安法、恒流充放电法等电化学测试方法，对炭基电极材料的电容性能进行测试。
测试不同温度、不同电流密度下的充放电性能，以及循环稳定性等。
3. 性能优化与对比通过调整制备过程中的温度、时间、活化剂种类和用量等参数，优化炭基电极材料的性能。
同时，与商业化的炭基电极材料进行对比，分析其优缺点。
四、实验结果与讨论1. 实验结果通过上述实验过程，我们得到了具有不同结构和性能的炭基电极材料。
在电化学性能测试中，我们发现这些材料表现出良好的充放电性能和循环稳定性。
2. 结果分析结合物理性质表征和电化学性能测试结果，我们分析了炭基电极材料的结构和性能之间的关系。
探讨了不同制备过程对材料性能的影响，以及优化方向和潜在的应用领域。